V procese výroby vodíka v alkalickom elektrolyzéri je okrem kvality samotného elektrolyzéra dôležitým faktorom aj množstvo cirkulovaného lúhu v nastavení, aby zariadenie bežalo stabilne.
Nedávno sa na stretnutí profesionálneho výboru pre vodík Čínskej asociácie priemyselných plynov o bezpečnosti výrobných technológií podelil Huang Li, vedúci programu prevádzky a údržby vodíka a elektrolýzy vody, o svoje skúsenosti s nastavením objemu cirkulácie vodíka a lúhu v reálnom procese testovania, prevádzky a údržby.
Nasleduje pôvodný dokument.
——————
V rámci národnej stratégie duálneho uhlíka začala spoločnosť Ally Hydrogen Energy Technology Co., Ltd., ktorá sa už 25 rokov špecializuje na výrobu vodíka a ako prvá sa zapojila do oblasti vodíkovej energie, rozširovať vývoj zelenej vodíkovej technológie a zariadení vrátane návrhu žľabov elektrolytických nádrží, výroby zariadení, pokovovania elektród, ako aj testovania, prevádzky a údržby elektrolytických nádrží.
JedenPrincíp fungovania alkalického elektrolyzéra
Prechodom jednosmerného prúdu cez elektrolyzér naplnený elektrolytom dochádza k elektrochemickej reakcii molekúl vody na elektródach, ktoré sa rozkladajú na vodík a kyslík. Na zvýšenie vodivosti elektrolytu sa bežne používa vodný roztok s koncentráciou 30 % hydroxidu draselného alebo 25 % hydroxidu sodného.
Elektrolyzér sa skladá z niekoľkých elektrolytických článkov. Každá elektrolytická komora sa skladá z katódy, anódy, membrány a elektrolytu. Hlavnou funkciou membrány je zabránenie prenikaniu plynu. V spodnej časti elektrolyzéra je spoločný vstup a výstup, horná časť preteká plyno-kvapalinovou zmesou alkálií a kyslíko-alkálií. Keď napätie prechádza cez jednosmerný prúd s určitým napätím, keď napätie prekročí teoretické rozkladné napätie vody 1,23 V a tepelne neutrálne napätie 1,48 V nad určitú hodnotu, dochádza k redoxnej reakcii medzi elektródou a kvapalinou, pričom sa voda rozkladá na vodík a kyslík.
Dva Ako cirkuluje lúh
1️⃣Zmiešaný cyklus vodíka, kyslíka a bočného lúhu
Pri tejto forme cirkulácie vstupuje lúh do cirkulačného čerpadla lúhu cez spojovacie potrubie v spodnej časti odlučovača vodíka a odlučovača kyslíka a po ochladení a filtrácii vstupuje do katódovej a anódovej komory elektrolyzéra. Výhodami zmiešanej cirkulácie sú jednoduchá konštrukcia, krátky proces, nízke náklady a možnosť zabezpečiť rovnakú veľkosť cirkulácie lúhu do katódovej a anódovej komory elektrolyzéra; nevýhodou je, že na jednej strane to môže ovplyvniť čistotu vodíka a kyslíka a na druhej strane to môže spôsobiť, že hladina odlučovača vodíka a kyslíka nebude nastavená, čo môže viesť k zvýšenému riziku miešania vodíka a kyslíka. V súčasnosti je najbežnejším procesom miešania lúhu strana vodíka a kyslíka.
2️⃣Oddelená cirkulácia vodíka a kyslíka ako bočného lúhu
Táto forma cirkulácie vyžaduje dve obehové čerpadlá na lúh, t. j. dve vnútorné cirkulácie. Lúh na dne separátora vodíka prechádza obehovým čerpadlom na strane vodíka, je ochladený a filtrovaný a potom vstupuje do katódovej komory elektrolyzéra; lúh na dne separátora kyslíka prechádza obehovým čerpadlom na strane kyslíka, je ochladený a filtrovaný a potom vstupuje do anódovej komory elektrolyzéra. Výhodou nezávislej cirkulácie lúhu je, že vodík a kyslík vyrobený elektrolýzou majú vysokú čistotu, čím sa fyzicky vyhýba riziku zmiešania separátora vodíka a kyslíka; nevýhodou je, že konštrukcia a proces sú zložité a nákladné a je tiež potrebné zabezpečiť konzistentnosť prietoku, dopravného tlaku, výkonu a ďalších parametrov čerpadiel na oboch stranách, čo zvyšuje zložitosť prevádzky a kladie požiadavku na riadenie stability oboch strán systému.
Tri Vplyv cirkulujúceho prietoku lúhu na produkciu vodíka elektrolytickou vodou a pracovné podmienky elektrolyzéra
1️⃣Nadmerná cirkulácia lúhu
(1) Vplyv na čistotu vodíka a kyslíka
Pretože vodík a kyslík majú v lúhu určitú rozpustnosť, cirkulačný objem je príliš veľký, takže celkové množstvo rozpusteného vodíka a kyslíka sa zvyšuje a vstupuje do každej komory spolu s lúhom, čo spôsobuje zníženie čistoty vodíka a kyslíka na výstupe z elektrolyzéra; cirkulačný objem je príliš veľký, takže retenčný čas kvapalného odlučovača vodíka a kyslíka je príliš krátky a plyn, ktorý nebol úplne oddelený, sa vracia späť do vnútra elektrolyzéra spolu s lúhom, čo ovplyvňuje účinnosť elektrochemickej reakcie v elektrolyzéri a čistotu vodíka a kyslíka, a ďalej to ovplyvňuje účinnosť elektrochemickej reakcie v elektrolyzéri a čistotu vodíka a kyslíka a ďalej ovplyvňuje schopnosť zariadenia na čistenie vodíka a kyslíka dehydrogenovať a deoxygenovať, čo vedie k slabému účinku čistenia vodíka a kyslíka a ovplyvňuje kvalitu produktov.
(2) Vplyv na teplotu nádrže
Za podmienky, že výstupná teplota z chladiča lúhu zostane nezmenená, príliš veľký prietok lúhu odoberie viac tepla z elektrolyzéra, čo spôsobí pokles teploty nádrže a zvýšenie výkonu.
(3) Vplyv na prúd a napätie
Nadmerná cirkulácia lúhu ovplyvní stabilitu prúdu a napätia. Nadmerný prietok kvapaliny naruší normálne kolísanie prúdu a napätia, čo spôsobí, že prúd a napätie sa nedajú ľahko stabilizovať, čo spôsobí kolísanie prevádzkového stavu usmerňovacej skrinky a transformátora, a tým ovplyvní výrobu a kvalitu vodíka.
(4) Zvýšená spotreba energie
Nadmerná cirkulácia lúhu môže tiež viesť k zvýšenej spotrebe energie, zvýšeným prevádzkovým nákladom a zníženej energetickej účinnosti systému. Najmä pri zvýšení pomocného obehu chladiacej vody vo vnútornom systéme a rozprašovača a ventilátora vonkajšej cirkulácie, zaťaženia chladenou vodou atď., čím sa zvyšuje spotreba energie, zvyšuje sa aj celková spotreba energie.
(5) Spôsobiť poruchu zariadenia
Nadmerná cirkulácia lúhu zvyšuje zaťaženie obehového čerpadla lúhu, čo zodpovedá zvýšenému prietoku, kolísaniu tlaku a teploty v elektrolyzéri, čo následne ovplyvňuje elektródy, membrány a tesnenia vo vnútri elektrolyzéra, čo môže viesť k poruchám alebo poškodeniu zariadenia a k zvýšeniu pracovného zaťaženia pri údržbe a opravách.
2️⃣Príliš malá cirkulácia lúhu
(1) Vplyv na teplotu nádrže
Ak je objem cirkulujúceho lúhu nedostatočný, teplo v elektrolyzéri sa nedá včas odviesť, čo vedie k zvýšeniu teploty. Vysokoteplotné prostredie spôsobuje zvýšenie tlaku nasýtených pár vody v plynnej fáze a zvýšenie obsahu vody. Ak sa voda nedá dostatočne skondenzovať, zvyšuje sa zaťaženie čistiaceho systému a ovplyvňuje sa účinok čistenia, ako aj účinok a životnosť katalyzátora a adsorbentu.
(2) Vplyv na životnosť membrány
Neustále pôsobenie vysokých teplôt urýchľuje starnutie membrány, znižuje jej výkon alebo dokonca praská. Môže ľahko spôsobiť vzájomnú priepustnosť vodíka a kyslíka na oboch stranách membrány, čo ovplyvňuje čistotu vodíka a kyslíka. Keď sa vzájomná infiltrácia blíži k dolnej hranici, pravdepodobnosť výbuchu v elektrolyzéri sa výrazne zvyšuje. Zároveň neustále pôsobenie vysokých teplôt spôsobuje aj poškodenie tesnenia v dôsledku úniku, čím sa skracuje jeho životnosť.
(3) Účinok na elektródy
Ak je množstvo cirkulujúceho lúhu príliš malé, produkovaný plyn nemôže rýchlo opustiť aktívne centrum elektródy a účinnosť elektrolýzy je ovplyvnená; ak sa elektróda nemôže úplne dotknúť lúhu, aby vykonala elektrochemickú reakciu, dôjde k čiastočnému výboju abnormalite a suchému horeniu, čo urýchli uvoľňovanie katalyzátora z elektródy.
(4) Vplyv na napätie článku
Množstvo cirkulujúceho lúhu je príliš malé, pretože bubliny vodíka a kyslíka vytvorené v aktívnom strede elektródy sa nedajú včas odstrániť a množstvo rozpustených plynov v elektrolyte sa zvyšuje, čo spôsobuje zvýšenie napätia v malej komore a zvýšenie spotreby energie.
Štyri metódy na určenie optimálneho prietoku cirkulácie lúhu
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov je potrebné prijať zodpovedajúce opatrenia, ako je pravidelná kontrola systému cirkulácie lúhu, aby sa zabezpečila jeho normálna prevádzka; udržiavanie dobrých podmienok na odvod tepla okolo elektrolyzéra; a v prípade potreby úprava prevádzkových parametrov elektrolyzéra, aby sa predišlo vzniku príliš veľkého alebo príliš malého objemu cirkulácie lúhu.
Optimálny prietok cirkulácie lúhu je potrebné určiť na základe špecifických technických parametrov elektrolyzéra, ako je veľkosť elektrolyzéra, počet komôr, prevádzkový tlak, reakčná teplota, generovanie tepla, koncentrácia lúhu, chladič lúhu, separátor vodíka a kyslíka, hustota prúdu, čistota plynu a ďalšie požiadavky, trvanlivosť zariadenia a potrubia a ďalšie faktory.
Technické parametre Rozmery：
rozmery 4800x2240x2281mm
celková hmotnosť 40700 kg
Efektívna veľkosť komory 1830, počet komôr 238
Prúdová hustota elektrolyzéra 5000 A/m²
prevádzkový tlak 1,6 MPa
reakčná teplota 90 ℃ ± 5 ℃
Jedna sada elektrolyzéra s objemom vodíka 1300 Nm³/h
Produkt Kyslík 650 Nm³/h
jednosmerný prúd n13100A, jednosmerné napätie 480V
Chladič lúhu Φ700x4244 mm
plocha výmeny tepla 88,2 m²
Odlučovač vodíka a kyslíka Φ1300x3916mm
odlučovač kyslíka Φ1300x3916mm
Koncentrácia roztoku hydroxidu draselného 30 %
Hodnota odporu čistej vody > 5 MΩ·cm
Vzťah medzi roztokom hydroxidu draselného a elektrolyzérom:
Umožňuje vodivosť čistej vody, uvoľňuje vodík a kyslík a odvádza teplo. Prietok chladiacej vody sa používa na reguláciu teploty lúhu, aby bola teplota reakcie v elektrolyzéri relatívne stabilná, a generovanie tepla elektrolyzérom a prietok chladiacej vody sa používajú na prispôsobenie tepelnej bilancie systému, aby sa dosiahol najlepší prevádzkový stav a najenergeticky najšetrnejšie prevádzkové parametre.
Na základe skutočnej prevádzky：
Regulácia objemu cirkulácie lúhu pri 60 m³/h
Prietok chladiacej vody sa otvára pri približne 95 %.
Reakčná teplota elektrolyzéra je pri plnom zaťažení regulovaná na 90 °C.
Optimálna spotreba jednosmerného prúdu elektrolyzéra je 4,56 kWh/Nm³H₂.
Päťzhrnúť
Stručne povedané, objem cirkulácie lúhu je dôležitým parametrom v procese výroby vodíka elektrolýzou vody, ktorý súvisí s čistotou plynu, napätím v komore, teplotou elektrolyzéra a ďalšími parametrami. Je vhodné regulovať cirkulujúci objem lúhu v nádrži s frekvenciou 2 až 4 výmeny lúhu za hodinu/min. Účinnou reguláciou objemu cirkulácie lúhu sa zabezpečuje stabilná a bezpečná prevádzka zariadenia na výrobu vodíka elektrolýzou vody po dlhú dobu.
V procese výroby vodíka elektrolýzou vody v alkalickom elektrolyzéri je optimalizácia prevádzkových parametrov a konštrukcie žľabu elektrolyzéra v kombinácii s výberom materiálu elektródy a membrány kľúčom k zvýšeniu prúdu, zníženiu napätia v nádrži a úspore spotreby energie.
——Kontaktujte nás——
Tel.: +86 028 6259 0080
Fax: +86 028 6259 0100
E-mail: tech@allygas.com
Čas uverejnenia: 9. januára 2025
